纳米敏感膜修饰的QCM气敏传感器的制备及性能提高研究

发布时间：2017-12-21 00:20

  本文关键词：纳米敏感膜修饰的QCM气敏传感器的制备及性能提高研究　出处：《浙江大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：QCM(Quartz Crystal Microbalance),也即石英晶体微天平,是一种以石英谐振器为核心器件的质量敏感型传感器。它利用石英晶体的正-逆压电效应,通过修饰晶片的敏感膜对待测物的特异性吸附,将待测物的质量、浓度等成分信息转换为频率信号,并进行测量。本文以QCM传感器在气相检测领域的应用为出发点,结合高灵敏度的QCM和气敏性能优异的纳米材料制备出能在室温下实现痕量级别气体检测的QCM气敏传感器。在此基础上,结合现阶段QCM气敏传感器在敏感材料、检测方法、气敏机理以及实际应用等方面存在的不足,基于纳米敏感膜修饰的QCM气敏传感器的制备及性能提高研究这一研究目标,通过贵金属掺杂改性方法成功提高了传感器灵敏度,通过功能型复合改性方法有效改善了传感器选择性,并基于对LSER模型的亲水性修正实现了对传感器气敏机理的量化研究。主要研究内容和成果如下:在实验室已有研究基础上,围绕检测电路、传感器制备和检测气室等三个关键部分对整个QCM气敏传感检测系统进行了改良设计,完成了整个系统的优化构建。之后采用低温水热法合成的纳米Ni(OH)2材料作为敏感膜修饰QCM传感器,用于低挥发性邻苯二甲酸二丁酯(Dibutylphthalate,DBP)气体的检测。在室温检测条件下,该传感器实现了对DBP在ppb级别的低浓度检测,保持了良好的重复性和稳定性,并对DBP显示出优于其他塑化剂类和非塑化剂类干扰气体的响应和选择性。针对QCM气敏传感器的灵敏度和选择性两个关键性能指标,进行了基于纳米敏感材料改性的传感器气敏性能提高研究。对于灵敏度指标,重点研究了贵金属掺杂提高传感器灵敏度的方法,在纳米ZnO多孔微球表面进行Au粒子掺杂,制备出了 ZnO-Au为敏感膜的QCM气敏传感器。在超低浓度的DBP气体检测应用中,成功提高了传感器的灵敏度1.62倍,并对选择性有所改善。对于选择性指标,深入研究了功能型修饰或复合改善传感器选择性的方法,并首次以氧化石墨烯(GO)和壳聚糖(CS)为基体进行功能型复合制备出了以GO/CS复合纳米材料为敏感膜的QCM气敏传感器。在对三甲胺(TMA)等胺类气体的低浓度检测应用中,成功借助CS对胺类气体特异性强的特点,显著提高了传感器对TMA等的选择性。同时,也结合GO吸附活性强的特点有效使得传感器响应幅值提高了 3倍以上。上述结果确认了贵金属粒子掺杂改性和功能型复合改性在传感器灵敏度、选择性等性能提高方面的有效性,也为QCM传感器气敏性能的提高提供了可行的思路和方法。通过对基于单一纳米金属氧化物、贵金属掺杂的纳米金属氧化物和功能型复合的纳米材料为敏感膜的QCM气敏传感器的各项性能进行分析和对比研究,首先从敏感膜的微观结构、物化性质、官能团等分子结构特点进行了定性的敏感机理分析。并在对GO/CS-QCM气敏传感器选择性分析的基础上,结合传感器响应、分配系数、亲和度等参数,基于对LSER模型的亲水性修正,量化地解释了GO/CS敏感材料对胺类气体的气敏机理。此类敏感机理的研究方法,给出了一个在一定范围内客观合理的敏感吸附机理,可以为QCM等传感器的敏感膜材料筛选提供更为完善的理论依据,还能对该类材料的进一步改性、性能提高和新材料的研制提供一定的指导与借鉴。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

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本文编号：1313966